激光焊接在鋰離子電池制造的應(yīng)用研究

佘松燦

摘要：隨著新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展，具有出色充?放電性能，高能量和高功率密度的鋰離子電池成為當(dāng)前重要發(fā)展方向之一?焊接質(zhì)量的好壞決定了電池的密封性?一致性?安全性以及使用壽命等，如何提高焊接質(zhì)量和效率是制約鋰離子電池制造的關(guān)鍵因素?激光焊接作為新型焊接方法的一種，具有熱影響區(qū)小?能量密度高?焊接速度快?加工精度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在鋰離子電池焊接中?研究激光焊接鋰離子電池的工藝規(guī)律以及激光焊接設(shè)備，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景?

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;電池組;制造;激光;焊接

鋰離子電池具有能量密度大，平均輸出電壓高，無(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)性能優(yōu)越，綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此作為目前新能源汽車的重點(diǎn)研究對(duì)象?專家學(xué)者們對(duì)鋰離子電池電極材料研制選用?新的制造工藝?加工設(shè)備?使用技術(shù)等進(jìn)行了深入研究?鋰離子電池或電池組有很多道制造工序，其中焊接工序包括安全帽點(diǎn)焊?極耳焊接?電池殼體密封焊接以及電池組焊等?研究鋰離子電池焊接技術(shù)對(duì)鋰離子電池發(fā)展具有重要意義?

1鋰離子電池的研究意義

石油?煤炭等石化燃料給人們帶來(lái)了極大的便利，但同時(shí)，燃料的消耗也增加了碳排放量，使環(huán)境污染問(wèn)題愈加嚴(yán)重，尤其在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，燃油汽車的保有量逐年增加，石油消耗帶來(lái)的環(huán)境污染更是愈來(lái)愈烈?需要大力推廣新能源汽車，以減少交通領(lǐng)域的碳排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的目的?

2鋰離子電池介紹

鋰離子電池是一種可充電電池，主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等構(gòu)成。通常以鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等為正極活性物質(zhì)，以石墨、納米碳纖維等為負(fù)極活性物質(zhì)，以乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯等為電解質(zhì)，以聚丙烯、聚乙烯微孔膜等為隔膜，以鋼或鋁制材料作為外殼。此外，在鋰離子電池的生產(chǎn)、封裝過(guò)程中，還會(huì)用到銅箔、鋁箔、導(dǎo)電炭黑、連接片等輔助材料。在正常工作過(guò)程中，鋰離子電池正、負(fù)極材料之間的電位差，會(huì)促使自由電子通過(guò)電解質(zhì)，在正、負(fù)極之間游走，實(shí)現(xiàn)充放電。鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在新能源汽車、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3激光焊接在鋰離子電池焊接中的發(fā)展現(xiàn)狀

激光焊接在鋰離子電池焊接過(guò)程中應(yīng)用包括電池殼體密封焊接?電池組焊?電池極帶點(diǎn)焊?電池防爆閥點(diǎn)焊?極耳焊接等，其中電池殼體密封焊接?電池組焊應(yīng)用最為廣泛?鋰離子電池殼體用于密封電芯和電解液?目前普遍采用的殼體材料一般為鋁合金（多為3003系）?電池制造過(guò)程中采用殼體與蓋板分離的結(jié)構(gòu)形式，然后再通過(guò)焊接工藝將兩者焊接在一起?動(dòng)力電池之間的串并聯(lián)一般通過(guò)連接片與單體電池的焊接來(lái)完成，連接片常用銅片或鋁片，正負(fù)極材料為銅或鋁，其中銅和銅?鋁和鋁一般均采用激光焊接?

電池的焊接質(zhì)量直接影響了電池的質(zhì)量?使用壽命和安全性能?目前激光焊接多采用人工上料或手動(dòng)夾持，焊接效效率和質(zhì)量較低?鋰離子電池殼體焊接和電池組焊，對(duì)目前激光焊接工藝和設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)，研究其在鋰離子電池焊接中的應(yīng)用具有重要意義?

4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

4.1激光焊接工藝的研究

鋰離子電池殼體?電池組連接板?正極端材料多使用鋁材?鋁合金對(duì)激光有較高的反射率，且焊接過(guò)程容易產(chǎn)生變形?裂紋;極易產(chǎn)生氣孔?研究激光焊接鋁合金的焊接機(jī)理，優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有激光焊接工藝，對(duì)提高焊接效率和質(zhì)量有重要意義?

4.2激光焊接鋰離子電池新型設(shè)備的研發(fā)

隨著鋰電行業(yè)的快速發(fā)展，目前使用焊接生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)不能滿足人們對(duì)生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量的需求?結(jié)合新的激光焊接工藝，研發(fā)激光焊接鋰離子電池新型設(shè)備，由人工或半自動(dòng)化生產(chǎn)向全自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，才能夠與高速發(fā)展的鋰電池行業(yè)相匹配?

國(guó)外有關(guān)激光焊接的研究較為成熟，應(yīng)用在鋰離子動(dòng)力電池焊接的研究主要集中在激光焊接工藝的研究?KIM.J.D等人使用脈沖Nd：YAG激光器，對(duì)鋰離子電池殼體和蓋板?注液口進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，研究了焊縫缺陷產(chǎn)生的原因和解決方法?在電池殼體與蓋板的焊接實(shí)驗(yàn)中，與側(cè)面焊接相比，平面焊接可采用一個(gè)焊接頭一次性完成焊接，焊接軌跡美觀，穿透性缺陷少，平面焊接效果，如圖1所示?

在注液口密封焊接實(shí)驗(yàn)中，改善原有使用壓頭法壓入密封帽的方式，采用橢圓形凸輪小壓力多次壓入，防止密封帽陷入注液口，降低兩者之間的偏心率和間隙，焊接質(zhì)量顯著提高?

SCHMITZ為提高電池組焊接的穩(wěn)定性，對(duì)DC04鍍鎳鋼進(jìn)行了脈沖激光焊接的工藝試驗(yàn)，研究了矩形脈沖?特形脈沖?尖脈沖和傾斜脈沖四種不同的脈沖激光焊接工藝，采用脈沖激光焊接后截面情況，如圖2所示?通過(guò)對(duì)比分析四種工藝焊接后柱狀電池連接接頭的焊縫質(zhì)量?力學(xué)性能?導(dǎo)電性能等，確定了脈沖激光在電池單元組焊中有較高的適用性?

國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究激光焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響的同時(shí)，設(shè)計(jì)并研發(fā)了動(dòng)力電池焊接設(shè)備或焊接系統(tǒng)?

許為柏等使用3000W的全固態(tài)激光器對(duì)1.0mm厚的AL3003電池外殼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，主要研究了激光輸出功率和焊接速度對(duì)焊縫寬度和深度的影響?實(shí)驗(yàn)表明，激光輸出功率增大，焊縫寬度深度也隨之增大;增大焊接速度，焊縫寬度減小?通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了采用全固態(tài)激光進(jìn)行動(dòng)力電池材料（AL3003）高速焊接的最佳焊接參數(shù)，對(duì)后續(xù)相關(guān)研究具有指導(dǎo)意義?

張健等基于工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，研發(fā)出動(dòng)力電池外殼封裝激光自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)哂袕?fù)雜幾何尺寸的電池外殼進(jìn)行封裝焊接?采用工業(yè)機(jī)器人研制的動(dòng)力電池殼激光自動(dòng)化焊接系統(tǒng)?該套設(shè)備焦距可變?角度可調(diào)?靈活性強(qiáng)，能滿足其封裝，并且產(chǎn)品連續(xù)性?一致性好，外觀光亮?規(guī)則?可實(shí)現(xiàn)多工位連續(xù)焊接，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加工效率是普通工作臺(tái)的3倍，為我國(guó)動(dòng)力電池封裝提供了參考?

5總結(jié)

隨著激光焊接的發(fā)展，新的焊接形式被更多的應(yīng)用的鋰離子電池焊接中?有關(guān)學(xué)者專家必然會(huì)通過(guò)進(jìn)一步研究，更好的將新的技術(shù)和工藝方法應(yīng)用到鋰電焊接中，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池焊接設(shè)備的高焊接質(zhì)量?高精度?高度自動(dòng)化?

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